LCR測量儀在阻抗測量中的應(yīng)用

陳杰

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

1 引言

電感、電容和電阻等阻抗元件的測量是電子測量技術(shù)的基礎(chǔ)，其測量結(jié)果準(zhǔn)確與否將直接影響到整機的質(zhì)量。通常人們將電感、電容、電阻測量儀稱為LCR測量儀，或者也稱之為阻抗分析儀。由于LCR測量儀使用方便，因此被人們廣泛采用。目前LCR測量儀的發(fā)展速度非?？欤瑤缀跞〈怂惺謩邮诫娮釉y試儀器，其測量精度不斷提高 （高達±0.02%），頻率范圍不斷拓寬 （從20 Hz到數(shù)GHz）；其測量參數(shù)也越來越多。在電子元件測試領(lǐng)域，LCR測量起著非常重要的作用，其測量結(jié)果可靠與否將直接影響電子元件的質(zhì)量乃至電子產(chǎn)品和電氣產(chǎn)品的技術(shù)性能。然而，由于不少使用者對阻抗測量的特點以及LCR測量儀的原理不熟悉而導(dǎo)致測量結(jié)果的不一致，不可靠的情況在實際工作中經(jīng)常發(fā)生。特別是對高介電系數(shù)陶瓷電容器、帶磁芯的電感器進行測量時這種情況尤為突出，我們在實際工作中多次遇到元件制造商與元件使用廠商由于測量結(jié)果不一致而導(dǎo)致退貨糾紛的情況。本文通過對LCR測量儀的原理及阻抗測量的影響因素分析，提出電感電容測量中應(yīng)采取的正確方法及注意事項。

2 LCR測量儀的組成分析

LCR測量儀的組成原理為自動平衡電橋理論,其結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，分別為信號源、自動平衡橋和矢量比檢測器。

信號源部分產(chǎn)生測試信號，測試信號頻率可從40 Hz到110 MHz，輸出信號電平為5 mV到1 V，由一個微處理器控制頻率合成器來提供高分辨率的測試信號，信號電平由一個衰減器來進行調(diào)整。

自動平衡橋部分根據(jù)通過測試件的電流來調(diào)整通過量程電阻的電流，使在測試件DUT的低電壓端維持零電位，這時叫電橋平衡。當(dāng)電橋不平衡時，零檢測器就檢測到一個電流，同時相位檢測器把這信號分成00和900分量，這兩個分量通過環(huán)路濾波器反饋給調(diào)節(jié)器來控制00和900的分量信號，結(jié)果信號被放大并反饋給量程電阻來抵消通過零檢測器的電流，從而達到電橋平衡。

矢量比檢測器測量加在被測件上的矢量電壓Udut和量程電阻上的矢量電壓Urr，由于量程電阻值是已知的，所以測量這兩個電壓就能得到矢量阻抗 Zx=Rr×（Udut/Urr）。

阻抗是評測電路、元件以及制作元件的材料性能的重要參數(shù)，阻抗Z通常定義為給定頻率下對流經(jīng)電路或元件的交流電流的抵抗能力，它用矢量平面上的復(fù)數(shù)表示，一個阻抗矢量包括實部（電阻R）和虛部 （電抗X）。通?？杀硎緸閆=R+jX，為確定阻抗，我們至少需要測量兩個值，因為阻抗是一個復(fù)數(shù)。許多現(xiàn)代的阻抗測量儀測量阻抗的實部和虛部，然后將它們轉(zhuǎn)換成所需要的參數(shù)，如Z、C、L、R、G、B等。

所有的電路元件既不是純粹的電阻性元件，也不是純粹的電抗性元件，而是這些阻抗成分的組合。因為所有真實世界的器件都存在寄生參數(shù)，電阻中有不希望的電感，電容器中有不希望的電阻，以及電感器中有不希望的電容等。當(dāng)然，不同的材料和制造技術(shù)會造成不同大小的寄生參數(shù)，以至影響到元件的可使用性，以及所能確定電阻、電容和電感量值的準(zhǔn)確程度。一個真實世界的元件包含許多寄生參數(shù)。作為元件主要參數(shù)和寄生參數(shù)的組合，一個元件就好比一個復(fù)雜電路。

3 電容器的測量

電容器是電子電路中使用的一種基本元件。電容器的基本結(jié)構(gòu)是在兩個極間夾一層介質(zhì)材料，各種實用電容器可按它的介質(zhì)類型分類，不同類型的電容器有不同的性能特征，電容量C、損耗因素D和等效串連電阻 （ESR）是通常需要測量的參數(shù)。

電容器的典型等效電路如圖1所示，在該電路中，電容量C是電容器的主要成分，Rs和L是引線和電極中存在的寄生參數(shù)，Rp代表兩個電極間的寄生泄漏參數(shù)。

圖1 電容器的等效電路

當(dāng)我們進行電容器測量時，必須考慮這些寄生量。阻抗測量儀器使用串聯(lián)模式 （Cs-D、Cs-Rs）或并聯(lián)模式 （Cp-D、Cp-Rp）來測量電容。由于寄生參數(shù)的存在，造成所顯示的電容值并不總是等于實際電容值C。例如，當(dāng)使用Cs-Rs模式測量圖1所示的電容器電路時，顯示的電容值用圖2的復(fù)雜公式表示。只有當(dāng)Rp值足夠高，并且L的電抗可以忽略時，Cs才等于Co。在高頻區(qū)能看到L的影響，在這種情況下就不能忽略L。對于高值電容器，與C值并聯(lián)的電抗遠低于Rp。對于低值電容器，Rp本身就很高，所以，大多數(shù)電容可用圖3表示。

圖2 寄生參數(shù)在實際電容器中的影響

圖3 實際電容器的等效電路

圖4 高值電容測量

在電容器的測量中，應(yīng)注意的事項與被測電容量有關(guān)，高值電容測量屬于低阻抗測量，因此必須把接觸電極、測試夾具和電纜中的接觸電阻及殘余阻抗減到最低，應(yīng)使用4端、5端或4端對配置把DUT接到儀器上。在使用4端和5端配置時，必須確保高測試信號電流流過電纜，為避免電磁場耦合的影響，按圖5所示的方式來連接電纜；此外，為進行精確測量，應(yīng)正確使用開路、短路補償。特別是對于施加直流偏置電壓的電解電容器，應(yīng)在直流偏置設(shè)置為ON（0 V）時進行開路/短路補償。

低值電容測量屬于高阻抗測量。接觸電極間雜散電容比殘余阻抗有更大的影響，使用3端 （屏避2T）、5端 （屏避4T）或4端對 （4TP）法，正確的接地技術(shù)和開路/短路補償可以把雜散電容的影響減到最小。

除電容量外，損耗因素D和等效串聯(lián)電阻ESR也是需要測量的重要的電容器參數(shù)，對低D值和低ESR值的測量必須給予特別的注意。即使使用4端配置，測試夾具和電纜間的接觸電阻和殘余阻抗也會影響測量結(jié)果。

對于高介電系數(shù)材料瓷介電容器的測量，特別要注意測量條件的完全一致，才能得到一致的測量結(jié)果。如有一批高介電系數(shù)材料片狀電容器，規(guī)格為1 μF，其產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范規(guī)定測量電容量的技術(shù)條件為頻率1 kHz，測量電壓為1 V,生產(chǎn)廠商和使用廠的測量結(jié)果不一致而起糾紛，他們起初認為對方儀器有問題，后來他們各自拿出儀器近期校準(zhǔn)合格證書來證明自己的儀器是準(zhǔn)確的；由于儀器是在我中心校準(zhǔn)的，所以他們找到我們要求給予仲裁。

其實，這種情況我們已經(jīng)遇到多次，是由于大家對儀器的原理和產(chǎn)品的特性了解不深而造成的。由于不同型號的儀器信號源有不同的輸出阻抗，典型的輸出阻抗有100 Ω、300 Ω、30 Ω等，加上被測件后，源阻抗和被測件阻抗進行分壓，所以加在被測件上的電壓不是儀器設(shè)定電壓1 V,而是源阻抗和被測件阻抗進行分壓后的電壓值，由于源阻抗不同，造成實際加在被測件的的電壓不同，而該電容器又對測量電壓很敏感，故測量結(jié)果有很大的不同。

4 電感器的測量

電感器由纏繞在磁芯上的導(dǎo)線構(gòu)成，其特性則由所使用的磁芯材料決定。空氣是構(gòu)成電感器最簡單的磁性材料，但為使電感器具有更高的電感量，經(jīng)常用鐵、鐵氧體等磁性材料做磁芯。電感器的典型等效電路如圖5（a）所示，圖中Rp代表磁性的鐵耗，Rs代表導(dǎo)線的銅耗，C是繞線間的分布電容。對于低值電感應(yīng)使用圖5（b）所示的等效電路。由于L值很小，繞組間的分布電容就成了主要的影響因素。

圖5 電感器的等效電路

有時，使用不同的儀器會得到不同的電感測量結(jié)果。其原因是：

a）測試信號電流的影響

磁性電感器與測試信號電流的關(guān)系如圖6（a）所示。電感量隨測量電流的大小而不同，即使將兩臺不同的儀器設(shè)置為同樣的輸出電壓，如果它們的源阻抗不同，它們的輸出電流也將不同，請參考圖6（b）。有些磁性電感器的電感量與流過電流的關(guān)系很大，電流的變化可導(dǎo)致電感值成倍地變化。我們多次遇到元件制造廠與元件使用廠家的糾紛就源于此。他們用不同的儀器測量同一產(chǎn)品的結(jié)果有很大的不同，進而懷疑儀器有問題，但儀器經(jīng)過我們計量校準(zhǔn)是合格的。其實就是因為儀器的源阻抗不同而導(dǎo)致通過測試件的電流不同，測量結(jié)果當(dāng)然也就不一致。因此一些高檔的LCR表有電壓、電流監(jiān)視器功能，可監(jiān)測實際加在測試件上的電壓及流過測試件的電流。

圖6 電感器測試信號電流

b）使用的測試夾具的影響

當(dāng)電感器旁邊有金屬物體時，電感器的泄漏磁通將在金屬中產(chǎn)生渦流。不同的測試夾具由于大小和形狀的不同，所產(chǎn)生的渦流幅度也不同，從而造成不同的測量結(jié)果，這對測量磁通開路的電感器尤為重要。

c）電感器的影響

有些儀器使用廠家自己繞制一些電感器作為校準(zhǔn)LCR表的標(biāo)準(zhǔn)器，也往往會得出不正確的結(jié)果。因為這類電感器大多采用直線管形結(jié)構(gòu)，甚至采用磁性材料作為骨架，或者直接用電感器產(chǎn)品作為標(biāo)準(zhǔn)器。這種電感器的致命缺點是電感值與測量電流大小有關(guān)，不能抗電磁干擾，穩(wěn)定性差，其電感值受環(huán)境條件的影響極大。現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)電感器一般采用環(huán)形電感線圈，輔之于電磁屏蔽以解決電感器抗電磁干擾，采用非磁性骨架材料與溫度補償技術(shù)，克服一般電感器的缺點，可用來校準(zhǔn)LCR測量儀。

5 結(jié)束語

LCR測量儀作為一種廣泛使用的基礎(chǔ)測量儀器，只有正確掌握其測量方法及阻抗測量的特點，才能得到可靠、準(zhǔn)確的結(jié)果。

[1]SJ/T 10298-1991，LCR測量儀測試方法 [S].